JP2015008552A - 非接触充電装置 - Google Patents

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芳弘 阪本
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藤田 篤志
Atsushi Fujita
篤志 藤田
秀樹 定方
Hideki Sadakata
秀樹 定方
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Abstract

【課題】給電装置一次コイルと受電装置の二次コイルとの間に侵入した異物を確実に検知する。異物を検知する手段として、例えばドップラーセンサを用いた場合、前記一次コイルから放射される磁界の影響を受けてしまう課題がある。
【解決手段】上述の課題を解決するために、受電装置4に非接触で電力を供給する給電装置2であって、給電装置2は、基板110と、基板110上に配置され、交流電流によって磁束を発生する一次コイル102と、基板110に取り付けられ、一次コイル102を覆うカバー111と、カバー111上の物体の動きを検知する異物検知手段14とを備え、異物検知手段14としてドップラーセンサを用いるとともに、ドップラーセンサを一次磁心コア112より低い位置に設置した非接触充電装置が提供される。
【選択図】図10

Description

本発明は、例えば電気自動車やプラグインハイブリッド車のような電気推進車両等の充電に用いられる非接触充電装置に関する。
図11は、従来の非接触充電装置101の構成を示す模式図である。図11において、地上側の電源9の電源盤に接続された非接触給電装置(一次側)Fが、電気推進車両に搭載された受電装置(二次側)Gに対し、給電時において、物理的接続なしに空隙空間であるエアギャップを介して対峙するよう配置される。このような配置状態で、給電装置Fに備わる一次コイル102に交流電流が与えられ磁束が形成されると、受電装置Gに備わる二次コイル103に誘導起電力が生じ、これによって、一次コイル102から二次コイル103へと電力が非接触で伝達される。
受電装置Gは、例えば車載バッテリー105に接続され、上述したようにして伝達された電力が車載バッテリー105に充電される。この車載バッテリー105に蓄積された電力により車載のモータ106が駆動される。なお、非接触給電処理の間、給電装置Fと受電装置Gとの間では、例えば無線通信装置107により必要な情報交換が行われる。
図12は、給電装置F及び受電装置Gの内部構造を示す模式図である。特に、図12(a)は、給電装置Fを上方から、また、受電装置Gを下方から見たときの内部構造を示す模式図である。図12(b)は、給電装置F及び受電装置Gを側方から見たときの内部構造を示す模式図である。
図12において、給電装置Fは、一次コイル102、絶縁部108、一次磁心コア112、基板110、及びカバー111等を備える。受電装置Gは、簡単に述べると、給電装置Fと対称的な構造を有しており、二次コイル103、二次磁心コア113、基板110、カバー111等を備える。
一次コイル102および二次コイル103は、導線を同一面で扁平に渦巻き巻回した構造であり、一次コイル102や二次コイル103が配設される一次磁心コア112や二次磁心コア113は、平板状に形成されている。
一次磁心コア112、二次磁心コア113は、フェライト製,固化砂鉄製,その他の鉄性材料製のものが代表的であり、透磁率が大の強磁性体よりなり、磁束Dの強力化機能やガイド機能を発揮する。すなわち、一次コイル102、二次コイル103間インダクタンスを増し、相互間の電磁的結合を強化すると共に、形成された磁束を、誘導,収集して,方向付けるべく機能している。そして、この一次磁心コア112、二次磁心コア113は、凹凸のないフラットな平板状に形成されている。
特開2008−87733号公報
給電装置Fや受電装置Gは基本的に屋外に設置されるため、カバー111上に異物が載ってしまうことも考えられる。特に、異物の一例である金属物が電力伝送の最中にカバー111に載り、そのまま放置しておくと、この金属物が過熱されてしまう。また、特に、一次コイル102と二次コイル103の間に、磁束が鎖交可能なループ状の導電体が挿入されると、導電体両端に起電力が発生してしまう。侵入した異物が過剰に昇温すると、給電装置Fや受電装置Gに故障などの被害をもたらす可能性がある。以上のことから、電力伝送の最中に一次コイル102、二次コイル103の間に異物が侵入したときに、異物の侵入を確実に検知することが求められる。
それゆえに、本発明は、一次コイルと二次コイルとの間への異物の侵入を確実に検知することが可能な非接触充電装置を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するために、本発明の一態様によれば、受電装置に非接触で電力を供給する給電装置であって、前記給電装置は、基板と、前記基板上に配置され、交流電流によって磁束を発生する一次コイルと、前記基板に取り付けられ、前記一次コイルを覆うカバーと、前記カバー上の物体の動きを検知する異物検知手段を備える。前記異物検知手段としてドップラーセンサを用い、ドップラーセンサを一次磁心コアより低い位置に設置する。
本発明の別の態様によれば、給電装置から非接触で電力供給を受ける受電装置であって、前記受電装置は、基板と、前記基板上に配置され、前記給電装置の一次コイルが発生した磁束によって起電力を発生する二次コイルと、前記基板に取り付けられ、前記二次コイルを覆うカバーと、前記カバー上の物体の動きを検知する異物検知手段を備える。前記異物検知手段としてドップラーセンサを用い、ドップラーセンサを二次磁心コアより低い位置に設置する。
本発明によれば、非接触充電装置の給電装置や受電装置は、カバー上の物体の動きを検知可能な異物検知手段を備えているので、一次コイルと二次コイルとの間への異物の侵入を確実に検知することが可能となる。
異物検知手段として、ドップラーセンサを用いることにより、異物を確実に検出することができる。また、ドップラーセンサを一次磁心コア、二次磁心コアより低い位置に設置することにより、一次コイルあるいは二次コイルからの影響を低減することができる。
本発明に係る非接触充電装置のブロック図 図1に示す非接触充電装置の正面図 図1の非接触充電装置を構成する地上側コイルユニットと車両側コイルユニットとの間に形成される電磁場領域を示しており、(a)及び(b)はそれぞれ地上側コイルユニットのコイル中心と車両側コイルユニットのコイル中心とが上方から見て一致している場合とすれている場合の概略図 地上側コイルユニットと車両側コイルユニットとの間に形成される電磁場領域を示しており、(a)及び(b)はそれぞれ車体重量が軽い場合と重い場合の概略図 電磁場領域、電力制御範囲及び異物侵入検知範囲を示しており、(a)及び(b)はそれぞれ車両後方より見た場合と車両側方より見た場合の概略図 異物検知と伝送電力制御とを示すフローチャート 異物侵入検知範囲の確定処理を示すフローチャート 異物侵入処理を示すフローチャート ドップラーセンサである異物検知手段のブロック図 異物検知手段の設置位置の例を示す図 従来の非接触電力伝送システムの構成を示す模式図 図11の給電装置Fに対峙して配置される受電装置Gの内部構造を示す模式図
本発明の一態様は、受電装置に非接触で電力を供給する給電装置であって、前記給電装置は、基板と、前記基板上に配置され、交流電流によって磁束を発生する一次コイルと、前記基板に取り付けられ、前記一次コイルを覆うカバーと、前記カバー上の物体の動きを検知する異物検知手段とを備える。
また、本発明の別態様は、給電装置から非接触で電力供給を受ける受電装置であって、前記充電装置は、基板と、前記基板上に配置され、前記給電装置の一次コイルが発生した磁束によって起電力を発生する二次コイルと、前記基板に取り付けられ、前記二次コイルを覆うカバーと、前記カバー上の物体の動きを検知する異物検知手段とを備える。
このように、非接触充電装置の給電装置や受電装置は、カバー上の物体の動きを検知可能な動き検知手段を備えているので、一次コイルと二次コイルとの間への異物の侵入を確実に検知することが可能となる。
なお、本明細書で言う「カバー上」は、カバーの外側表面上またはカバーの外側表面の上方を言う。
前記異物検知手段は、前記給電装置の一次コイルと、前記受電装置の二次コイルとの間の物体の動きを検知するのが好ましい。これにより、一次コイルと二次コイルとの間に侵入する異物を確実に検知し、その結果、両コイルの間で高温状態になった異物による給電装置や受電装置の被害を防止することができる。
前記異物検知手段は、ドップラーセンサが好ましい。ドップラー効果を利用して、あらゆる異物の侵入を確実に検知することができる。
前記ドップラーセンサは、前記一次コイルと前記二次コイルとの間に、電波による検知領域を形成し、前記検知領域内における物体の動きを検知するのが好ましい。あらゆる異物の前記一次コイルと前記二次コイルとの間への侵入を確実に検知することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
図1は、本発明に係る非接触充電装置のブロック図である。また、図2は車両が駐車スペースに設置された状態の外観図である。図1及び図2に示されるように、非接触充電装置は、例えば駐車スペースに設置される給電装置2と、例えば電気推進車両に搭載される受電装置4とで構成される。
給電装置2は、商用電源6に接続される電源箱8と、インバータ部10と、コイルユニット12と、異物検知手段14と、給電装置側制御部(例えば、マイコン)16とを備える。一方、受電装置4は、コイルユニット18と、整流部20と、負荷22であるバッテリーと、受電装置側制御部(例えば、マイコン)24とを備えている。
給電装置2において、商用電源6は、低周波交流電源である200V商用電源であり、電源箱8の入力端に接続され、電源箱8の出力端はインバータ部10の入力端に接続され、インバータ部10の出力端はコイルユニット12に接続されている。一方、受電装置4においては、コイルユニット18の出力端は整流部20の入力端に接続され、整流部20の出力端は負荷22に接続されている。
また、コイルユニット12は地上に敷設され、電源箱8は、例えばコイルユニット12から所定距離だけ離隔した位置に立設される。一方、コイルユニット18は、例えば車体底部(例えば、シャーシ)に取り付けられる。
制御部16は、制御部24と無線通信を行い、制御部24は、検知した負荷22の残電圧に応じて電力指令値を決定し、決定した電力指令値を制御部16に送信する。制御部16は、コイルユニット12で検知した給電電力と、受信した電力指令値とを比較し、電力指令値が得られるようにインバータ部10を駆動する。
給電中、制御部24は受電電力を検知し、負荷22に過電流や過電圧がかからないように、制御部16への電力指令値を変更する。
図2に示されるように、給電装置2から受電装置4に給電するに際し、コイルユニット18は、車両を適宜移動させることでコイルユニット12に対向して配置され、制御部16がインバータ部10を駆動制御することで、コイルユニット12とコイルユニット18との間に高周波の電磁場が形成される。受電装置4は、高周波の電磁場より電力を取り出し、取り出した電力で負荷22を充電する。
給電装置2は、図10に示されるように、異物検知手段14を設けた以外は、図12に示す従来技術と同様の構成であり、同一構成については、同一符号を付して説明を省略する。
異物検知手段14は、詳細は後述するが、電磁場領域及びその近傍における異物の動きを検知するためのもので、本実施の形態では、給電装置2のコイルユニット12に設けているが、受電装置4のコイルユニット18に設けてもよい。
なお、本発明における「異物」とは、人や物などの電磁場領域に侵入してくる可能性のある移動物のことであり、特に電磁界により昇温して非接触充電装置(本実施の形態においては給電装置2)に被害をもたらす可能性のある金属片などのことである。
電磁場領域は、図3に示されるように、コイルユニット18をコイルユニット12に対向させることで、コイルユニット12とコイルユニット18間に形成されるが、コイルユニット18のコイル中心とコイルユニット12のコイル中心とが上方から見て一致している(図3(a)参照)とは限らず、図3(b)に示されるように、車体の左右あるいは前後方向にずれる場合もある。
さらに、コイルユニット18のコイル中心とコイルユニット12のコイル中心とが上方から見て一致している場合であっても、図4に示されるように、コイルユニット18とコイルユニット12間の距離も一定ではなく、乗員の数あるいは荷物等の重さに応じてその距離は異なる。図4(a)及び(b)は、乗員及び荷物を含めた車体重量が軽い場合と重い場合をそれぞれ示している。
そこで、本発明においては、コイルユニット18のコイル中心とコイルユニット12のコイル中心との位置関係に基づいて電磁場領域を決定するとともに、電磁場領域より広い電力制御範囲と、電力制御範囲より広い異物侵入検知範囲を設け、異物侵入検知範囲あるいは電力制御範囲に異物が侵入したかどうかを判定することで、電磁場領域に異物が侵入する前に給電制御を行うようにしている。
さらに詳述すると、制御部24からコイルユニット18のコイル中心を示す信号が制御部16に送信され、この信号を受信した制御部16は、コイルユニット12のコイル中心との位置関係(水平方向と高さ方向の3次元の位置関係)を認識する。制御部16が、コイルユニット12のコイル中心とコイルユニット18のコイル中心との位置関係を認識すると、コイルユニット12のコイルサイズとコイルユニット18のコイルサイズに応じて電磁場領域を設定する。
電磁場領域が決定すると、制御部16は、電磁場領域の水平方向と高さ方向に第1の所定長さ及び第2の所定長さだけ加算した電力制御範囲及び異物侵入検知範囲をそれぞれ設定する。
図5は、このようにして設定された電磁場領域、電力制御範囲及び異物侵入検知範囲を示しており、図5(a)は車両後方より見た場合を、図5(b)は車両側方より見た場合を示している。
次に、図6〜図8のフローチャートを参照しながら、異物検知と伝送電力制御について説明する。
図6のフローチャートのステップS1において、受電装置4を搭載した車両が、コイルユニット18がコイルユニット12に対向するように停止し、制御部16が制御部24から電力指令値を受信すると、制御部16は、インバータ部10に電力伝送開始を指示する。
次のステップS2において、異物侵入検知範囲及び電力制御範囲の確定処理が行われるが、この異物侵入検知範囲の確定処理について、図7のフローチャートを参照しながら説明する。
ステップS11では、上述したように、制御部24からコイルユニット18のコイル中心を示す信号が制御部16に送信され、この信号に基づいて、制御部16は、コイルユニット18の位置を検知する。
ステップS12において、制御部16は、コイルユニット12に対するコイルユニット18の水平方向の位置ずれを認識し、ステップS13において、コイルユニット12に対するコイルユニット18の高さ方向の位置ずれを認識する。制御部16はさらに、ステップS14において、認識したコイルユニット12に対するコイルユニット18の水平方向及び高さ方向の位置ずれとコイルサイズに基づいて、図3及び図4に示されるような電磁場領域を確定する。
電磁場領域が確定すると、制御部16は、ステップS15において、上述したように、確定した電磁場領域の水平方向と高さ方向に第1の所定の長さだけ加算した電力制御範囲を確定し、さらに電磁場領域の水平方向と高さ方向に第1の所定長さより長い第2の所定長さだけ加算した異物侵入検知範囲を確定し、ステップS16において、異物侵入検知範囲及び電力制御範囲の確定処理を終了する。
その後、図6に示すステップS3において、異物検知手段14が異物検知動作を開始する。その異物検知手段14の詳細について説明する。
図9は、異物検知手段14のブロック図である。異物検知手段14は、例えばドップラー効果を利用して物体の動きを検知することができるドップラーセンサである。そのために、ドップラーセンサである異物検知手段14は、発振部30と、増幅部32と、送信アンテナ34と、受信アンテナ36と、ミキサ部38と、フィルタ部40と、信号処理部42とを備える。
異物検知手段14であるドップラーセンサは、発振部30が出力した周波数f0のcos(f0)の高周波信号を増幅部32によって所定の電力に増幅することにより、cos(f0)の電波を送信アンテナ34によって放射するように構成されている。
例えば、異物検知手段14は、図10に示されるように、コイルユニット12の基板110の上に設置されている。一次コイル102から放射される磁界44は、一次磁心コア112の効果により境界線46より下方では大幅に電磁界強度が下がるため、前記異物検知手段14を境界線46より下に設置することにより、一次コイル102から放射される磁界44の影響を抑えることができる。なお、一次コイル102および一次磁心コア112の構成は、図12にて説明した従来構成と同様であり、一次磁心コア112は、フェライト製としている。
なお、異物検知手段14の設置位置は、図5に示す電磁場領域、電力制御範囲、および異物侵入検知範囲それぞれに電波がいきわたり、その範囲を含む電波による検知領域を形成でき、かつ一次コイル102からの磁界44の影響を避けることができるなら、どのような位置であってもよい。
また、異物検知手段14であるドップラーセンサは、接近中の異物50から反射された、異物50の移動速度vに対応するドップラー周波数fdが加算されたcos(f0+fd)の電波を受信アンテナ36によって受信し、受信した電波に基づいてドップラー周波数を算出するように構成されている。具体的には、受信アンテナ36が受信したcos(f0+fd)の信号に発振部30が出力したcos(f0)の信号をミキサ部38にて掛け算し、その掛け算結果であるcos(fd)+cos(2f0+fd)の信号からフィルタ部40によって高周波成分cos(2f0+fd)を除去する。これにより、cos(fd)の信号が取り出され、この信号から信号処理部42はドップラー周波数fdを算出する。ドップラー周波数fdから、数式1を用いて異物50の移動速度vを算出することができる。
Figure 2015008552
数式1において、cは光速(3×108m/s)である。例えば、周波数f0=24.125Hz、ドップラー周波数fdが3kHzとすると、異物50の移動速度vは60km/hである。
異物検知手段14の信号処理部42は、異物50の移動速度vと方向を算出し、異物50の速度や移動方向に対応する信号を、図1に示されるように、給電装置2の制御部16に送信する。なお、前記の計算では異物が接近している場合の例を挙げたが、異物が遠ざかる場合においては、ドップラー周波数fdが減算されたcos(f0−fd)の電波を受信アンテナ36によって受信し、I/Q型のミキサ部38を用い信号処理部42で処理することで容易に接近か遠ざかっているかの異物の方向を判断できる。
このような異物検知手段14によれば、異物50の移動をモニタリングし続けることができる、すなわち、異物50の速度や移動方向を検知することができる。
図6に戻り、ステップS3において、異物検知手段14が異物検知動作を開始し、異物検知手段14の検知結果が制御部16に入力される。
次のステップS4において、コイルユニット12からコイルユニット18への電力供給を開始するとともに、ステップS3における検知結果を初期値として制御部16に記憶する。
ステップS5においては、制御部16が異物検知手段14の検知結果と初期値を比較し、異物が侵入したかどうかを判定する。ステップS5において、異物が侵入したと判定されると、異物の移動方向を把握するため、ステップS6に移行し、電力供給開始時点からの異物の移動経路を確認して伝送電力を制御し、さらに解除するための異物侵入処理を行う。
図8のフローチャートは異物侵入処理を示しており、まずステップS21において、異物が異物侵入検知範囲にあるかどうか(侵入してきたかどうか)を判定し、異物が異物侵入検知範囲にある場合には、ステップS22において、異物が電磁場領域に向かっているかどうかを判定する。すなわち、異物検知手段14は、電力供給開始時点から電磁場領域及びその近傍の状況を常にモニターしており、異物が異物侵入検知範囲に侵入してきた場合には、異物の侵入する向きを把握して、異物侵入検知範囲にある異物が電磁場領域に向かっているかどうかをステップS22において判定するようにしている。
ステップS22において、異物が電磁場領域に向かっていると判定された場合には、ステップS23に移行し、異物は電磁場領域に向かっていないと判定された場合には、ステップS21に戻る。ステップS23においては、電磁場領域に向かっていると判定された異物が電力制御範囲に入ったかどうかを判定する。ステップS23において、異物が電力制御範囲に入ったと判定されると、ステップS24に移行し、異物は電力制御範囲に入っていないと判定されると、ステップS21に戻る。
ステップS24においては、制御部16が、コイルユニット12からコイルユニット18への伝送電力を所定量(例えば、1/2)低下させたり、電力伝送を停止する制御を行い、ステップS25において、異物が電力制御範囲にあるかどうかを判定する。異物が電力制御範囲にあると判定されると、ステップS25の判定を繰り返し、異物は電力制御範囲にないと判定されると、ステップS26において、伝送電力制御を解除した後、ステップS21に戻る。
なお、上述した異物侵入処理は、ステップS21において、異物は異物侵入検知範囲にないと判定された場合に、ステップS27に移行して終了する。
図6に戻り、ステップS5において異物は侵入していないと判定されると、ステップS7おいて、充電が完了したかどうかを判定し、充電が完了していない場合には、ステップS5に戻り、充電が完了している場合には、ステップS8において、電力供給を終了するとともに、異物検知動作を終了する。
本実施の形態によれば、給電装置2は、カバー上の物体の動きを検知可能な動き検知手段14を備えているので、コイルユニット12とコイルユニット18との間への異物の侵入を確実に検知することが可能となる。
以上、上述の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施の形態に限らない。
例えば、図5に示す電磁場領域に異物が侵入した場合、その異物侵入を表示や音などの告知手段によって告知するようにしてもよい。例えば、図1に示す給電装置2のスピーカ52によって異物侵入を告知する。
また、給電装置2に異物検知手段14を設けることに代って、異物検知手段を受電装置4に設けてもよい。この場合も、異物を確実に検知することができる。
なお、受電装置4に異物検知手段14を設ける場合、受電装置4が大型化、あるいは重量が増大することが想定される。受電装置4は、搭載される電気推進車両によって、受電装置4の設置場所、取付強度等の制限が生じるため、受電装置4に異物検知手段14を設けた際には、電気推進車両への装着が困難になる場合が生じる虞がある。したがって、異物検知手段14は充電装置2に設けることが好ましい。
さらに、異物検知手段14としてドップラーセンサを用いたが、ドップラーセンサに代って、異物が放射する赤外線を検知する赤外線センサや、超音波を異物に向けて放射し、その反射波を測定することにより異物までの距離や方向を検知する超音波センサなどを動き検知手段14として用いてもよい。
以上のように、本発明は、給電装置から受電装置への給電中に電磁場領域近辺で侵入した異物を確実に検知できるようにしたので、例えば人や物が不注意にあるいは誤って近づく可能性がある電気推進車両の受電装置への給電等に有用である。
2 給電装置
4 受電装置
6 商用電源
8 電源箱
10 インバータ部
12 コイルユニット
14 異物検知手段(ドップラーセンサ)
16 制御部
18 コイルユニット
20 整流部
22 負荷(バッテリー)
24 制御部
30 発振部
32 増幅部
34 送信アンテナ
36 受信アンテナ
38 ミキサ部
40 フィルタ部
42 信号処理部
44 一次コイルからの磁界
46 境界線(フェライトより低い位置)
50 異物
102 一次コイル
103 二次コイル
110 基板
111 カバー
112 一次磁心コア
113 二次磁心コア

Claims (6)

  1. 受電装置へと非接触で電力を供給する給電装置であって、前記給電装置は、入力された交流電流により磁束を発生する一次コイルと、前記一次コイルを覆うカバーと、前記カバー周辺に存在する物体の動きを検知する異物検知手段とを備える非接触充電装置。
  2. 前記異物検知手段としてドップラーセンサを用いたことを特徴とする請求項1に記載の非接触充電装置。
  3. 前記一次コイルを配置する一次磁心コアを設け、前記ドップラーセンサを一次磁心コアより低い位置に配置した請求項2に記載の非接触充電装置。
  4. 給電装置側から非接触で電力供給を受ける受電装置であって、前記受電装置は、前記給電装置側の一次コイルで発生した磁束に応じて起電力を発生する二次コイルと、前記二次コイルを覆うカバーと、前記カバー周辺に存在する物体の動きを検知する異物検知手段とを備える非接触充電装置。
  5. 前記異物検知手段としてドップラーセンサを用いたことを特徴とする請求項4に記載の非接触充電装置。
  6. 前記一次コイルを配置する一次磁心コアを設け、前記ドップラーセンサを一次磁心コアより低い位置に配置した請求項5に記載の非接触充電装置。
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